22、基于摇臂连杆周转轮系的可变刚度执行器特性分析

基于摇臂连杆周转轮系的可变刚度执行器特性分析

1 引言

可变刚度执行器（VSA）在机器人领域有着重要应用。传统杠杆式VSA能将杠杆放大比从零调至无穷大，实现弹性元件力与执行器输出力之间传动比的大范围变化，且因刚度调节与弹簧变形垂直，显著降低能耗。不过，杠杆式VSA结构设计中，调节机构的间隙问题需重点关注。在调节枢轴或弹簧模块位置时，因结构尺寸限制采用滑动或滚动方式，不可避免产生间隙，这会导致执行器输入壳与输出壳间旋转角度误差，降低位置精度和刚度控制精度。

本文介绍一种基于摇臂连杆周转轮系的新型可变刚度执行器及其特性分析。该设计确保结构紧凑和传动准确，枢轴和扭簧同时重新定位实现宽范围刚度调节，还分析了影响刚度和位置输出精度的结构间隙并进行相关模拟，结果有助于杠杆式VSA的高质量组装。

2 机构原理

REGT - VSA的可变刚度机构主要由带凸轮从动件的杠杆、导轨、可动枢轴、可动扭簧模块和摇臂连杆周转轮系组成。扭簧模块包含两个反向预紧扭簧和用于固定的扭簧支架。每个摇臂前端通过轴承与行星齿轮相连，后端分别与枢轴和扭簧模块相连。

当周转轮系中的太阳轮和齿圈以不同速度运动时，行星齿轮绕太阳轮公转，带动摇臂摆动，进而使枢轴和扭簧模块同步远离或靠近执行器中心，改变弹簧力与输出力的放大比来调节刚度。

REGT - VSA的可变刚度机构有三种状态：
- 最小刚度状态 ：摇臂连杆周转轮系通过逆时针差动旋转将枢轴和扭簧模块驱动到最近距离时，执行器处于此状态。
- 最大刚度状态 ：摇臂连杆周转轮系通过顺时针差动旋转将枢轴和扭簧模块驱动到最远距离时，执行器处于